KR102284701B1 - 능동 위상 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 넓은 빔 조향각을 갖는 능동 위상 배열 안테나에 관한 것으로, 상세하게는, 완전 도체인 PEC(perfect electric conductor) 접지면에 형성된 배열 안테나의 종단면에 유전체층인 WAIM(wide-angle impedance matching)층에 홀(hole)을 형성하여 능동반사계수 특성을 향상시킬 수 있는 능동 위상 배열 안테나에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 완전 도체인 PEC(perfect electric conductor) 접지면 상에 배열 안테나를 조립 설치하고, 상기 배열 안테나의 종단면에 홀이 형성된 WAIM(wide-angle impedance matching)층을 추가 설치함으로써 유전체층인 WAIM층의 유전율을 가변시켜 능동 위상 배열 안테나의 능동반사계수 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

능동 위상 배열 안테나{ACTIVE PHASED ARRAY ANTENNA}

본 발명은 넓은 빔 조향각을 갖는 능동 위상 배열 안테나에 관한 것으로, 상세하게는, 완전 도체인 PEC(perfect electric conductor) 접지면에 형성된 배열 안테나의 종단면에 유전체층인 WAIM(wide-angle impedance matching)층에 홀(hole)을 형성하여 능동반사계수 특성을 향상시킬 수 있는 능동 위상 배열 안테나에 관한 것이다.

배열 소자의 위상을 조절하여 빔을 제어할 수 있는 위상 배열 레이더는 군용 및 민수용으로 많이 이용되고 있다. 현재 위상 배열 레이더에 장착되는 위상 배열 안테나는 기존의 수동 위상 배열 안테나에서 능동 위상 배열 안테나로 발전되고 있다.

능동 위상 배열 안테나는 작은 레이더파를 송수신하는 소자(TR 모듈)를 이용하고, 각 소자의 크기 및 위상을 변화시켜 다양한 빔을 형성할 수 있다. 하지만 많은 소자를 갖는 능동 위상 배열 안테나에서 넓은 빔 조향각을 갖는 빔을 형성할 경우, 상호 결합(mutual coupling)의 영향으로 좋지 않은 능동반사계수 특성을 갖게 된다.

이에 따라 종래에는 표면을 높은 임피던스 특성을 갖는 물질로 형성하거나, 유전체로 이루어진 WAIM(wide-angle impedance matching)층을 안테나 종단에 추가하는 기술들이 제안되어 능동 위상 배열 안테나의 능동반사계수 특성을 개선하고자 하였다.

표면을 높은 임피던스 특성을 갖는 물질로 형성하는 기술은 일반적으로 높은 임피던스 특성을 갖는 메타물질을 이용하여 표면을 형성하는 기술로서, 이러한 메타물질은 구현이 쉽지 않고, 주파수 선택 특성을 갖기 때문에 상대적으로 좁은 주파수 대역에서만 작동하는 한계가 있었다. 이에 반해, 유전체로 이루어진 WAIM층을 안테나 종단에 추가하는 기술은 상대적으로 구현이 쉽다는 이점은 있으나, WAIM층은 안테나의 구조에 따라 서로 다른 유전체의 두께 및 유전율, 그리고 안테나의 종단과의 거리 등에 따라 능동반사계수 특성이 결정되기 때문에 최적화 과정을 거쳐야 한다.

그러나, 유전체로 이루어진 WAIM층을 안테나 종단에 추가하는 기술에서 유전체의 두께와 안테나의 종단과의 거리는 제한없이 가변이 가능하지만 유전체의 유전율은 유전체마다 정해진 고유한 값으로 가변에 제한이 따른다. 이로 인해 현재 적용되고 있는 WAIM층을 안테나 종단에 추가하는 기술은 넓은 빔 조향각을 갖는 능동 위상 배열 안테나에서 능동반사계수 특성을 향상시키는데 여전히 한계가 있을 수 밖에 없다.

US 7,889,127 B2, 2011. 02. 15.

"Analysis and Characterization of a Wide-Angle Impedance Matching Metasurface for Dipole Phased Arrays", Trevor R. Cameron, Member, IEEE, and George V. Eleftheriades, Fellow, IEEE, 2019.09, p3928~3938.

본 발명은 완전 도체인 PEC(perfect electric conductor) 접지면에 형성된 배열 안테나의 종단면에 유전체층인 WAIM(wide-angle impedance matching)층에 홀(hole)을 형성하여 능동반사계수 특성을 향상시킬 수 있는 능동 위상 배열 안테나를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 완전도체(perfect electric conductor)의 접지면 상에 형성되고, 종단면에는 유전체로 이루어진 WAIM(wide-angle impedance matching)층이 설치된 능동 위상 배열 안테나를 제공한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은 완전도체(perfect electric conductor); 상기 완전도체의 접지면 상에 형성된 배열 안테나; 및 유전체로 이루어지고, 상기 배열 안테나의 종단면에 설치된 WAIM(wide-angle impedance matching)층을 포함하는 능동 위상 배열 안테나를 제공한다.

또한, 상기 WAIM층에는 홀이 형성되어 있고, 상기 홀의 크기를 조정하여 상기 WAIM층의 유효 유전율을 가변시켜 능동반사계수 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 배열 안테나는 비발디 단일 안테나이고, 복수 개가 한 줄씩 상기 완전도체의 접지면에 끼워 조립되는 방식으로 상기 완전도체의 접지면에 형성될 수 있다.

또한, 상기 배열 안테나는 밸런스 타입으로 윗면과 아랫면이 동일한 형상으로 이루어지고, 원하지 않는 방향으로의 전파 누설 및 수신 발생과, 그레이팅 로브(grating lobes)의 발생을 방지하기 위해 삼각배열로 구성될 수 있다.

또한, 상기 WAIM층은 유전율이 1~3인 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 WAIM층은 테프론(teflon)으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 완전 도체인 PEC(perfect electric conductor) 접지면 상에 배열 안테나를 조립 설치하고, 상기 배열 안테나의 종단면에 홀이 형성된 WAIM(wide-angle impedance matching)층을 추가 설치함으로써 유전체층인 WAIM층의 유전율을 가변시켜 능동 위상 배열 안테나의 능동반사계수 특성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 능동 위상 배열 안테나의 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 배열 안테나를 일례로 도시한 도면.
도 4는 WAIM층 유무에 따른 비발디 단일 안테나의 능동 반사 계수를 도시한 도면.

본 발명은 유전체층인 WAIM(wide-angle impedance matching)층의 유전율을 가변시켜 능동 위상 배열 안테나의 능동반사계수 특성을 향상시키고자 한다. 이를 위해 완전 도체인 PEC(perfect electric conductor) 접지면 상에 배열 안테나를 조립 설치하고, 상기 배열 안테나의 종단면에 홀이 형성된 WAIM층을 형성하는 기술을 제안한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나의 사시도이고, 도 2는 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나(10)는 완전도체(PEC, perfect electric conductor)(11)와, 완전도체(11)의 접지면 상에 형성된 배열 안테나(12)와, 유전체로 이루어지고 배열 안테나(12)의 종단면에 배치되며 홀(13a)이 형성된 WAIM(wide-angle impedance matching)층(13)을 포함한다.

배열 안테나(12)는 복수 개가 한 줄씩 완전도체(11)의 접지면에 끼워 조립될 수 있도록 설계되었다. 도 3에는 본 발명에 따른 배열 안테나가 일례로 도시되어 있다.

도 3에서, (a)는 비발디 안테나의 윗면과 아랫면의 형상, (b)는 비발디 단일 안테나의 중간층 형상을 나타내었다. 스트립 라인 급전을 위한 급전라인이 구성되어 있다.

도 3과 같이, 본 발명에 따른 배열 안테나(12)는 밸런스 타입으로 윗면과 아랫면이 동일한 형상으로 이루어져 있다. 일례로 유전율 3을 갖는 RF-30 기판(12a)을 이용하여 설계되었고, 비발디 형상에 대응하여 형성된 금속비아는 빔 조향을 할 때 발생하는 스캔 블라인드리스(scan blindness)를 방지하기 위해 추가로 형성되었다.

본 발명에서 배열 안테나(12)는 일례로 16×16 비발디 단일 안테나로 설계하여 완전도체(11)의 접지면 상에 조립하여 설치하였다. 이때, 배열 안테나(12)는 배열구조의 설계와 빔 제어각도에 따라 불필요한 부엽 특성의 열화를 방지하고, 특히, 원하지 않는 방향으로의 전파 누설 및 수신 발생과, 그레이팅 로브(grating lobes)의 발생을 방지하기 위해 삼각배열로 구성하였다("삼각형 배열 안테나에 의한 그레이팅 로브의 억압효과", 이현승 외 6인, 한국통신학회 2001.7, p823-826, 참조).

안테나의 종류에 따라 최적의 능동반사계수 특성을 얻기 위한 WAIM층(13)의 유전율은 다르다. 도 1 및 도 2와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 배열 안테나(12)의 종단면에 설치되는 WAIM층(13)은 우수한 능동반사계수 특성을 얻기 위해 유전율이 1~3인 물질을 사용한다. 바람직하게, 본 발명에서는 유전율이 2.1인 테프론(teflon)을 사용하여 WAIM층(13)을 제조하였다. 그리고, 최적의 유효 유전율을 갖도록 WAIM층(13)에는 홀(13a)을 형성하였다.

이와 같이, 본 발명에서는 WAIM층(13)에 홀(13a)을 형성함으로써 WAIM층(13)의 유전율을 변경시키는 방식으로 유효 유전율을 가변시킬 수 있다. 홀(13a)의 크기는 유효 유전율에 영향을 미치는데, 예를 들어, 홀(13a)의 크기가 커질수록 WAIM층(13)은 더 낮은 유효 유전율 갖게 된다. 따라서, WAIM층(13)에 형성된 홀(13a)을 튜닝하여 조정함으로써 최적의 능동반사계수 특성을 갖는 배열 안테나를 설계할 수 있다.

도 4는 WAIM층 유무에 따른 비발디 단일 안테나의 능동반사계수 특성을 도시한 도면으로서, (a)는 방위방향(azimuth)으로 빔 조향을 한 경우 능동반사계수 특성, (b)는 고도방향(elevation)으로 빔 조향을 한 경우 능동반사계수 특성을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 방위방향과 고도방향은 도 1에 도시된 좌표축에 표시된 방향과 같다. WAIM층(13)이 존재하지 않는 경우의 능동반사계수 특성은 점선으로 표시되어 있고, WAIM층(13)이 존재하는 경우의 능동반사계수 특성은 실선으로 표시되어 있다.

본 발명에서는 9~10GHz 대역에서의 능동반사계수 향상을 목표로 설정하여 진행하였고, 목표 대역대에서 WAIM층(13)이 존재하는 경우의 능동반사계수 특성이 WAIM층(13)이 존재하지 않는 경우보다 대체적으로 낮은 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

능동반사계수 특성은 빔 조향 각도가 커질수록 높은 값을 갖는다. 본 발명에서의 최대 빔조향 각도인 70°빔 조향시 WAIM층(13)에 따른 능동반사계수의 특성을 비교하여 보면, 도 4의 (a)와 같이, 방위방향 70°빔 조향에 대해서는 3dB, 도 4의 (b)와 같이, 고도방향 70°빔 조향에 대해서는 2.2dB 정도로 향상된 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명과 같이, 배열 안테나(11)의 종단면에 홀(13a)이 형성된 WAIM층(13)을 배치하는 경우, 70°까지의 빔조향시 -8.4dB 이하의 능동 반사계수 값을 갖는다.

상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10 : 능동 위상 배열 안테나
11 : 완전도체(PEC)
12 : 배열 안테나
12a : RF-30 기판
13 : WAIM층
13a : 홀

Claims (7)

1. 삭제
2. 완전도체(perfect electric conductor);
   상기 완전도체의 접지면 상에 형성된 배열 안테나; 및
   유전체로 이루어지고, 상기 배열 안테나의 종단면에 설치된 WAIM(wide-angle impedance matching)층;을 포함하고,
   상기 배열 안테나는 비발디 단일 안테나이고, 복수 개가 한 줄씩 상기 완전도체의 접지면에 끼워 조립되는 방식으로 상기 완전도체의 접지면에 형성되는 능동 위상 배열 안테나.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 WAIM층에는 홀이 형성되어 있고, 상기 홀의 크기를 조정하여 상기 WAIM층의 유효 유전율을 가변시켜 능동반사계수 특성을 향상시키는 능동 위상 배열 안테나.
   
4. 삭제
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 배열 안테나는 밸런스 타입으로 윗면과 아랫면이 동일한 형상으로 이루어지고, 원하지 않는 방향으로의 전파 누설 및 수신 발생과, 그레이팅 로브(grating lobes)의 발생을 방지하기 위해 삼각배열로 구성된 능동 위상 배열 안테나.
   
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 WAIM층은 유전율이 1~3인 물질로 이루어진 능동 위상 배열 안테나.
   
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 WAIM층은 테프론(teflon)으로 이루어진 능동 위상 배열 안테나.
   

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